基于FLAC%5E%283D%29某铁矿采空区稳定性数值模拟研究.pdf

龙斌（1992），男，工程师，410012 湖南省长沙市。基于FLAC3D某铁矿采空区稳定性数值模拟研究龙斌1，2徐超1，2戴军1，2卿自强1，2（1.长沙矿山研究院有限责任公司；2.金属矿山安全技术国家重点实验室）摘要随着矿山日益开采，形成大量采空区，若发生失稳，将引发地质灾害，危及人民生命财产安全。为了确保生产安全，以某铁矿山复杂采空区空间形态和分布情况为基础，利用3Dmine-Midas/GTS软件耦合技术，建立三维数值模型，并采用FLAC3D软件进行模拟计算；通过分析采空区围岩、顶板及矿柱的应力、应变、塑性区情况，研究采空区的稳定性。结果表明，南区530，500，470 m中段开采后围岩产生的沉降位移很小，基本在0.11.8 mm；围岩压应力值往深部逐渐增大，最大压应力值未超过岩体的抗压强度；大部分采空区围岩均产生了不同大小的拉应力，拉应力值为01.44 MPa，均小于岩体的抗拉强度；530 m中段S53C05采空区顶板和与S53C06间的矿柱产生了连续贯通塑性破坏区。关键词采空区稳定性采场围岩数值模拟DOI：10.3969/j.issn.1674-6082.2023.09.020Numerical Simulation of Goaf Stability in an Iron Ore Mine Based on FLAC3DLONG Bin1，2XU Chao1，2DAI Jun1，2QING Ziqiang1，2（1.Changsha Mining Research Institute Co.，Ltd.；2.State Key Laboratory of Metal Mine Safety Technology）AbstractWith the growing mining，a large number of goaf is formed.If the goaf is unstable，it willcause geological disasters and endanger the safety of peoples life and property.In order to ensure production safety，basing on the spatial form and distribution of complex goaf in an iron mine，a 3D numerical model was established by using 3Dmine-Midas/GTS software coupling technology，and the simulation calculation was carried out by using FLAC3Dsoftware.The stability of goaf is studied by analyzing the stress，strainand plastic zone of surrounding rock，roof and pillar in goaf.The results show that the settlement displacement of surrounding rock after mining in the middle section of 530，500 and 470 m in the southern area isvery small，ranging from 0.1 to 1.8 mm.The compressive stress value of surrounding rock gradually increases to the depth，and the maximum compressive stress value does not exceed the compressive strength of rockmass.Most of the surrounding rocks in the goaf have different tensile stresses，and the tensile stresses rangefrom 0 to 1.44 MPa，which are smaller than the tensile strength of rock mass.In the past，the goaf roof ofS53C05 and the pillar between S53C06 in the middle section of 530 m produced a continuous through plastic failure zone.Keywordsgoaf stability，surrounding rock of stope，numerical simulation总第 653 期2023 年 9 月第 9 期现代矿业MODERN MININGSerial No.653September.2023随着我国经济水平的持续提升，我国的非煤矿山获得了较大程度的发展，矿石开采规模的扩大，导致了我国许多矿区开始逐渐出现大面积的采空区。随着矿山向深部开采，地压增大，采空区在高应力作用下，容易发生坍塌事故。残留大量的采空区没有进行及时处理，给矿山开采带来了严重的安全隐患，同时给矿山作业人员和设备带来严重的威胁，对自然环境造成一定程度的破坏1-2。因此，如何有效地治理采空区，避免因采空区失稳给矿山带来灾害，是目前矿山安全生产的亟需解决的技术难题。91现代矿业2023 年 9 月第 9 期总第 653 期目前，国内一些学者对地下矿山采空区稳定性展开了相关研究工作。张佳男等3通过对矿山现状采空区情况进行调查、统计和分析，并采用理论计算和数值模拟分析相结合的方式，开展矿山采空区稳定性研究工作，评估采空区安全性，为保证矿山深部安全生产提供技术支撑。周科平等4基于某矿山采空区群精细探测数据，采用 Geomagic、Midas GTS 与FLAC3D的耦合建模以及数值模拟分析方法，对复杂采空区群进行稳定性分析；同时建立了复杂采空区群的安全分级评价体系，开展了复杂采空区群安全分级评价。谢伟等5以湖南某钨矿为研究背景，基于Mathews稳定性图解法理论模型，对不同中段的采空区稳定性进行了理论计算，并依据矿山采空区现状，采用数值模拟法分析了当前采空区下各区域的主应力、位移和塑性区的分布，评估当前状态下主采空区的稳定状态。余正方等6采用三维激光扫描方法，对大红山铁矿-1头部采空区进行了精细探测，并采用Surpac-Midas/GTS-FLAC3D耦合建模与数值模拟方式，对采空区进行稳定性数值分析。本研究以某铁矿为例，利用 3Dmine-Midas/GTS软件耦合技术，建立了相关地下采场分析数值模型，并采用FLAC3D软件进行了模拟计算，通过分析采空区围岩、顶板、矿柱的应力、应变、塑性区情况，研究矿山南区采空区的稳定性，计算结果可为矿山企业下一步的采空区治理方案提供依据。1工程概况某铁矿采用地下开采方式，目前矿山南区470 m标高以上已开采结束，现有开拓系统为平硐+斜坡道开拓，采用汽车运输，后期开采 410，350 m 等中段。矿山目前采用浅孔留矿法回采，平底结构铲运机出矿。采场留有顶柱，采场之间留设有矿柱，跨度较大的采场留设有点柱。南区现有采空区主要位于530，500，470 m中段，500 m中段采空区顶板与530 m中段底板之间留有615 m高顶柱，470 m中段采空区顶板与 500 m 中段底板之间留有 410 m 高顶柱。530 m中段现有采空区20个，编号为S53C01S53C20，采空区总体积为36.50104m3；500 m中段现有采空区20个，编号为S50C01S50C20，采空区总体积为22.36104m3；470 m 中 段 现 有 采 空 区 15 个，编 号 为S47C01S47C15，采空区总体积为18.20104m3。2数值模拟过程2.1模型材料参数根据数值模拟计算分析所需要的基本数据，开展了矿岩力学参数室内试验，主要进行了4项试验：矿岩容重、矿岩单轴抗压力学试验、劈裂抗拉试验、岩体的泊松比与弹性模量试验。根据现场工程地质调查，基于Hoek-Brown准则利用Roclab1.0软件对岩石力学参数进行修正后确定岩体力学参数，见表1。2.2三维模型建立本次研究的主要内容为矿山南区开采产生的采空区的稳定性，结合矿山实际开采情况，确定本次研究的范围为X=64 80065 500 m，Y=65 10065 800 m，Z=300 m地表；南区模型尺寸为 700 m700 m（300-地表高度）m（长宽高），数值模型建立如图1所示。模型采用位移约束边界条件，模型4个侧面为水平位移约束，底面为竖直位移约束，即在模型底部施加Z方向位移约束，4个侧面分别施加X，Y方向位移约束，地表为自由面。在地下工程数值分析时，计算成功的关键不仅仅需要准确的计算模型，初始地应力场也十分重要。根据该矿区的地形特点和地质构造条件，原岩应力以自重应力场为主，可以不考虑构造应力的存在，其地应力场按自重应力场分析，应力场各主应力均随深度呈线性增加。因此，本次模拟中初始地应力场仅按自重应力场考虑，如图2所示。2.3模拟步骤矿山采用浅孔留矿法回采，实际生产中段间自上而下开采，中段内后退式回采。为了较真实地反92龙斌徐超等：基于FLAC3D某铁矿采空区稳定性数值模拟研究2023 年 9 月第 9 期映出矿山开采对岩体的扰动影响，数值模拟过程开挖顺序和矿山实际一致。本次数值模拟的过程如下：（1）在未进行地下开采的情况下，生成初始应力及初始位移。（2）清除初始位移。（3）模拟采用浅孔留矿法回采，对采场进行开挖，形成采空区。（4）模拟开采顺序自上而下逐个中段开挖，南区由南向北开挖。3数值模拟计算结果针对矿区南区复杂的采空区赋存情况，从位移、应力以及塑性区3个方面合理准确地分析模拟结果，从而综合评价南区采空区的稳定性。通过切取剖面分析南区采空区的位移、应力、塑性区状态，本文以勘探线为剖面进行分析。3.1南区位移分析地下开采时，开采区周围岩体受到扰动，引起岩体变形甚至破坏。采空区顶板、上盘围岩大面积冒落是引发地表塌陷、冲击地压灾害的主要因素，给地表设施以及地下生产活动带来极大的安全危害。因此，有必要对各采空区顶板、上盘围岩的变形进行分析，根据采空区的变形程度判断采空区的稳定性，为空区治理提供参考依据。模拟南区530，500，470 m中段开采至目前现状后，部分勘探线剖面围岩变形如图3所示。从图3可以看出，矿体开采后，围岩产生向空区一侧的变形，变形较大区域为顶板。同时，可以看出围岩的变形扩展到了地表，使得地表产生了一定程度变形。影响采空区稳定性的主要是沉降变形，南区各采空区围岩沉降变形情况如图4所示。从图4可以看出，南区530，500，470 m中段开采后围岩产生的沉降位移很小，基本在0.11.8 mm，由于矿山工程地质条件好，围岩和矿体均为坚硬的岩体，破坏时的变形很小。3.2南区压应力分析矿体开采前，地下岩层处于应力平衡状态。矿体的开采破坏了原有的平衡状态，引起围岩应力重新分布，出现应力状态改变和应力集中。如果围岩新应力场中的应力没有超过围岩的承载能力，围岩将会自行达到新的平衡；否则，围岩将可能产生破坏，出现岩爆、片帮、冒顶等现象，影响采空区的稳定性和矿山正常安全生产。模拟南区530，500，470 m中段开采至目前现状后，围岩压应力如图5所示。从图5可看出，矿体开采后，在采空区底部角隅处出现了明显的压应力集中，其次在采空区间的矿柱所受到的压应力相较于开采前也出现了明显的增加。南区各采空区围岩最大压应力统计如图6所示。93现代矿业2023 年 9 月第 9 期总第 653 期从图6可以看出，各中段采空区围岩的最大压应力未出现较大的变化。总体来看，围岩压应力值往深部逐渐增大，最大压应力值未超过岩体的抗压强度，因此围岩不会出现压裂破坏。3.3南区拉应力分析矿体回采后，围岩由于受到开采扰动，可能出现拉应力。通常岩石的抗拉强度为抗压强度的1/41/25（平均1/10），因此围岩出现拉应力时需引起重视。模拟南区530，500，470 m中段开采至目前现状后，围岩拉应力如图7所示。从图 7 可以得出，较多采空区围岩产生了拉应力，其拉应力区域在顶板中间或上盘靠近顶板处。南区各采空区围岩最大拉应力统计如图8所示。可见，大部分采空区围岩均产生了不同大小的拉应力，拉应力值在01.44 MPa，均小于岩体的抗拉强度。因此，围岩不会产生拉伸破坏。同时，对比分析各采空区拉应力，顶板跨度大的采空区，围岩应力相对要更大，比如S50C02、S50C14等。上、下中段层叠采空区的顶板拉应力值除与采空区跨度有关外，还与顶板厚度相关，主要是因为顶板需承受自身的重力。3.4南区塑性区分析塑性区可以直观分析矿体回采后围岩的破坏规律及采空区稳定性情况，模拟矿体开采后，围岩塑性区分布如图 9 所示，可以看出，S53C05 采空区顶板和与S53C06间的矿柱产生了连续贯通塑性破坏区，表明S53C05采空区过去出现过顶板冒落、矿柱破坏，可能导致上覆岩层塌陷，以及引起周边S53C06采空区失稳。现场可见南区S53C05、S53C06采空区上覆岩层已塌陷至地表。530 m中段其余采空区围岩未出现塑性区或仅有零星塑性区，对采空区稳定性影响很小。500，470 m中段围岩未出现塑性区，说明稳定性较好。4结论以某铁矿为例，利用3Dmine-Midas/GTS软件耦合技术，建立了相关地下采场分析数值模型，并采用三维数值模拟软件FLAC3D软件进行了模拟计算，并对矿山南区采空区围岩、顶板、矿柱的应力、应变、塑性区情况进行了分析，得出如下结论：（1）南区530，500，470 m中段开采后围岩产生的沉降位移很小，基本在0.11.8 mm。（2）南区各中段采空区围岩的最（下转第98页）94现代矿业2023 年 9 月第 9 期总第 653 期3.2.5注浆工艺及效果选用GPS测量仪定放钻孔位置场地平整钻机就位开孔准备钻进至基岩破碎带扩孔下入套管管外水泥封固黏土夹碎石层及砂砾石层注浆封堵钻孔钻进至采空区采空区注浆充填。注浆难以直接观测，因此为保证注浆质量和堵水效果，从开始施工至注浆结束，需要进行全过程质量的检查和鉴定。注浆治理效果应结合地表变形监测结果进行评价，变形监测时间不少于12个月。初次注浆后，未必能够将全部裂隙都填充，甚至有些细小裂隙尚未进浆，需要复注才能达到标准。复注次数主要受岩层裂隙大小、数目、初注的情况及注浆要求的最后残余涌水量等影响。一般间歇注浆的时间为24 h，采用全孔一次性注浆复注。通过采用上述注浆治理后，矿区地表沉降得到较好控制。根据治理后的多日多次测量地面沉降记录，地表均未发生明显变化，表明该方法能有效防止地面继续沉降。4结论（1）本次沉降（开裂）位置主要位于矿区西侧3#勘探线附近，沉降区面积约25 053.6m2，其南北向长度约 194 m，东西向宽度约 152 m，最大沉降深度约 7cm。沉降区内形成了40余条地裂缝，裂缝长度为420 m，宽度0.35 cm。（2）根据地质条件因素分析，该区黏土和砂层互层，砂层结构松散，为地面沉降提供了物质基础。受开采造成的岩体变形及应力变化影响，岩层岩体较破碎，裂隙较发育，且存在断裂带。岩体裂隙及断裂带为上部第四系砂层漏失提供了通道。因此，矿区基本地质条件因素是形成地面沉降的主要自然因素。（3）由于井下长期排水，使区内第四系含水层水位下降，枯水期灰岩地下水水位低于含水砂砾石黏土层侵蚀面，在丰水期灰岩地下水水位上升，地下水侵蚀面随之上下频繁波动，为砂层漏失创造动力条件。地下水位不断升降掏蚀第四系含砂层，造成第四系砂层局部漏失形成孔洞，砂层孔洞扩大到一定程度后塌陷，导致地表产生沉降和开裂。（4）设计采用钻孔注浆的方式对地表塌陷影响区进行治理，在塌陷影响区共布置3个注浆钻孔和1个检查孔，主要对塌陷影响区下方采场充填后沉缩产生的空顶区域进行注浆充填，另外对基岩上部的黏土夹碎石层及砂砾石层进行盖帽注浆封堵。防止第四系砂层及地下水向基岩裂隙、破碎带及采空区漏失，避免矿山后续开采过程中地表塌陷进一步发展。（5）通过注浆治理后，有效防止地面继续沉降，为矿山安全生产提供保障。参考文献1李腾，付建新，宋卫东.厚大铁矿体崩落法开采围岩移动规律研究 J.采矿与安全工程学报，2018，35（5）:978-983.2宋许根，陈从新，夏开宗，等.程潮铁矿塌陷区周边地表变形扩展规律研究 J.岩石力学与工程学报，2018，37（2）:415-429.3付华，陈从新，夏开宗，等.地下采矿引起地表滑移变形分析 J.岩石力学与工程学报，2016，35（S2）:3991-4000.4周文亮.永新县高溪乡上井村龙家组地区地面塌陷成因分析J.中国金属通报，2019（12）:196-197.5刘万顺.马鞍山市采矿诱发某地面塌陷的成因机制分析与防治D.合肥:合肥工业大学，2020.（收稿日期 2023-03-28）（上接第94页）大压应力未出现较大的变化。总体来看，围岩压应力值往深部逐渐增大，最大压应力值未超过岩体的抗压强度，因此围岩不会出现压裂破坏。（3）南区大部分采空区围岩均产生了不同大小的拉应力，拉应力值在01.44 MPa，均小于岩体的抗拉强度。因此，围岩不会产生拉伸破坏。（4）530中段 S53C05采空区顶板和与 S53C06间的矿柱产生了连续贯通塑性破坏区，南区其余中段采空区围岩未出现塑性区或仅有零星塑性区，对采空区稳定性影响很小。（5）综合各采空区围岩位移、应力、塑性区情况，南区除S53C05、S53C06采空区稳定性较差外，其余采空区总体的稳定性较好。参考文献1高亚欣.关于非煤矿山采空区的危害和治理措施分析 J.世界有色金属，2017（6）:220-221.2赵有国.铁矿采空区危害分析及处理方案 J.现代矿业，2015，31（2）:129-131.3张佳男，尹裕，杨少华，等.某矿山采空区稳定性分析 J.昆明冶金高等专科学校学报，2022，38（4）:21-26.4周科平，曹立雄，李杰林，等.复杂采空区群稳定性数值分析及安全分级评价 J.黄金科学技术，2022，30（3）:324-332.5谢伟，倪彬，李乾龙，等.基于Mathews图解法的采空区稳定性分析 J.金属矿山，2022（6）:40-45.6余正方，胡远，张玮，等.大红山铁矿-1头部采空区精细探测与稳定性分析 J.现代矿业，2021，37（4）:189-192.（收稿日期 2023-03-13）98